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本文的主要内容是星载干涉合成孔径雷达(InSAR)中波束对准技术的研究。由于SAR具有全天时、高分辨率和穿透一些地物的特点,使得它在地球科学、生态科学、水文科学等研究领域发挥着越来越重要的作用。其中InSAR作为SAR功能上的延伸,能够非常方便的得到地面高程和地理形变等信息,而波束对准作为双天线InSAR系统的重要环节,对主副天线回波的相干性保证有着非常关键的作用。因此,如何确保天线在从展开到工作过程中的波束对准成为了双天线干涉合成孔径雷达系统的关键技术之一,本文对如何进行波束对准以及其中涉及的技术细节进行了深入的研究。
首先,本文给出了星载双天线InSAR系统的构型,并将其与已有的航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)进行了比对。同时,对星载双天线InSAR系统的波束对准技术有了一个总体的概述,并将其误差源分解成了静态误差和动态误差。随后,将波束对准过程分解为了粗对准、精确对准和工作期间保持对准三个环节,对每个环节的工作进行了简要的论述。
其次,对上述方案中涉及的一些技术细节作了比较深入的分析,包括:
第一:对干涉合成孔径雷达系统中的相控阵天线方向图误差进行了讨论。首先对平面相控阵天线方向图进行了建模,深入分析了造成方向图误差的因素,包括:天线阵面误差、天线增益误差、最大副瓣电平误差和波束指向误差,并总结出了相控阵天线设计的一些技术指标,这为波束对准系统提供了相控阵天线方向图误差的理论参考。
第二:对干涉合成孔径雷达数据仿真进行了研究。将InSAR数据仿真划分为原始信号级、单视图像级和干涉条纹级三个层次,并对不同层次的仿真进行了比较;同时对干涉合成孔径雷达数据仿真中的几个关键问题进行了深入的分析和改进,它们包括:地面场景的几何特征和散射特征、星载InSAR卫星轨道模型分析、干涉相位平地效应去除和基于GPU的回波数据高性能计算几个方面,这样通过仿真数据为波束对准实验提供了数据源。
第三:分析了各种经典的多普勒中心频率估计算法,并针对波束对准过程中的星上实时性问题,提出了符号化的多视互相关多普勒中心频率估计算法,同时在波束指向调整方法中结合了前向预测技术。实验结果表明,该在保证算法精度的前提下,减少了算法的复杂度,从而能够实时调整副天线在精确对准过程中的方位向指向。
最后,给出了粗对准、精确对准和工作期间保持对准三个环节的实验结果;同时,对可视化波束对准软件的开发作了简要的说明,给出了部分波束对准可视化结果。由实验结果可以看出,主副天线能够在从展开到工作期间保持波束的绝大部分的重合,从而保证了回波信号的相干性,为后续相位信息的提取奠定了良好的基础。